Đột phá tại Đại học Sydney: Tạo cổng logic lượng tử đầu tiên giảm mạnh số lượng qubit vật lý cần thiết

Đột phá trong tính toán lượng tử: Giảm “cơn ác mộng kỹ thuật” của qubit. Để xây dựng một máy tính lượng tử quy mô lớn thực sự hoạt động hiệu quả, các nhà khoa học và kỹ sư phải đối mặt với một thách thức khổng lồ: loại bỏ các lỗi phát sinh tự nhiên từ qubit – đơn vị cơ bản của thông tin lượng tử. Thông thường, các nhà nghiên cứu mã hóa qubit để sửa lỗi trong những qubit khác, đảm bảo một số ít qubit có thể hoạt động ổn định và cho ra kết quả hữu ích. Tuy nhiên, khi số qubit logic (qubit hữu dụng) tăng lên, số qubit vật lý cần thiết tăng gấp nhiều lần, khiến việc mở rộng quy mô trở thành một “cơn ác mộng kỹ thuật”.

Bước ngoặt: Cổng logic lượng tử tiết kiệm qubit đầu tiên. Lần đầu tiên, các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Kiểm soát Lượng tử (Quantum Control Laboratory) thuộc Viện Nano Đại học Sydney đã chế tạo thành công một loại cổng logic lượng tử (quantum logic gate) mới, giúp giảm đáng kể số lượng qubit vật lý cần thiết để thực hiện các phép tính. Để làm được điều này, nhóm nghiên cứu đã tạo ra một cổng logic rối lượng tử (entangling logic gate) ngay trên một nguyên tử duy nhất, sử dụng mã sửa lỗi đặc biệt được mệnh danh là “Đá Rosetta” của điện toán lượng tử. Mã này đóng vai trò quan trọng vì nó biến các dao động lượng tử liên tục thành các trạng thái rời rạc, giống kỹ thuật số, giúp dễ dàng phát hiện và sửa lỗi. Đặc biệt, nó cho phép mã hóa qubit logic theo cách cực kỳ gọn nhẹ.

GKP Codes – “Chìa khóa Rosetta” cho lượng tử học. Mã Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) từ lâu đã được lý thuyết đề xuất như một phương pháp giúp giảm mạnh số qubit vật lý cần để tạo một qubit logic. Tuy nhiên, nhược điểm lớn là mã này cực kỳ phức tạp và khó điều khiển. Nghiên cứu đăng trên Nature Physics đã biến điều này thành hiện thực: khai thác dao động tự nhiên của ion bị bẫy (trapped ion) – cụ thể là nguyên tử ytterbium tích điện – để lưu trữ mã GKP và lần đầu tiên thực hiện các cổng rối lượng tử giữa các qubit GKP. Tiến sĩ Tingrei Tan, nghiên cứu viên tại Đại học Sydney, cho biết: "Thí nghiệm của chúng tôi đánh dấu lần đầu tiên hiện thực hóa một tập hợp cổng logic phổ quát cho qubit GKP. Chúng tôi đã kiểm soát chính xác dao động điều hòa (harmonic oscillations) của ion bị bẫy để thao tác qubit GKP đơn lẻ hoặc tạo rối giữa chúng." Cổng logic lượng tử – “công tắc thông minh” của thế giới tính toán. Cổng logic là “công tắc thông tin” cho phép máy tính thực hiện các phép toán logic. Nếu trong máy tính cổ điển, cổng logic chỉ xử lý bit 0 và 1, thì máy tính lượng tử dùng cổng logic dựa trên hiện tượng rối lượng tử, tạo ra một hệ thống tính toán hoàn toàn khác biệt, mở ra tiềm năng vượt trội so với công nghệ hiện nay. Hai qubit logic trong một nguyên tử – Cột mốc lịch sử. Vassili Matsos – nghiên cứu sinh Tiến sĩ và tác giả chính – giải thích: "Chúng tôi đã lưu trữ hai qubit logic có khả năng sửa lỗi trong một nguyên tử bị bẫy và chứng minh được trạng thái rối giữa chúng." Để đạt được điều này, nhóm đã sử dụng phần mềm kiểm soát lượng tử do Q-CTRL, một công ty khởi nghiệp tách ra từ phòng thí nghiệm, phát triển. Phần mềm này mô phỏng vật lý để thiết kế các cổng lượng tử giảm thiểu biến dạng của qubit GKP, giúp chúng giữ nguyên cấu trúc tinh vi khi xử lý thông tin. Cách thức thực hiện: “Rối hai dao động lượng tử trong một nguyên tử”. Nguyên tử ytterbium bị bẫy trong một Paul trap – thiết bị sử dụng trường điện từ và hệ thống laser tinh vi để giữ nguyên tử ở trạng thái cô lập ở nhiệt độ phòng. Nguyên tử này rung theo ba chiều, mỗi chiều là một trạng thái lượng tử riêng biệt. Nhóm nghiên cứu đã tạo rối hai trạng thái dao động này để hình thành cổng logic, chỉ từ một nguyên tử duy nhất – một bước tiến lớn trong công nghệ lượng tử.

Theo Tiến sĩ Tan: "Các mã sửa lỗi GKP từ lâu được kỳ vọng sẽ giảm nhu cầu phần cứng cho việc mở rộng máy tính lượng tử. Thí nghiệm của chúng tôi chứng minh điều này có thể thực hiện, tạo nền tảng để xây dựng các hệ thống tính toán lượng tử quy mô lớn một cách hiệu quả về phần cứng." Trong ba thí nghiệm được mô tả trong công bố, nhóm nghiên cứu đã: ✔ Điều khiển rung động tự nhiên của ion ytterbium ✔ Mã hóa và xử lý thông tin theo GKP code ✔ Hiện thực hóa cổng logic lượng tử phổ quát với số qubit vật lý tối thiểu Đây được coi là bước tiến quan trọng trong việc giảm chi phí phần cứng và tăng hiệu quả – một trong những rào cản lớn nhất để thương mại hóa máy tính lượng tử.